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El papel de la supercomputación en la astrofísica y otras áreas

La supercomputación tuvo un papel importante en la primera foto realizada a un agujero negro. Además, esta tecnología puede desempeñar un rol importante dentro del campo de la astrofísica así como en otras áreas. Para ello hablamos con el profesor Fiestas, quien nos muestra un panorama más amplio sobre la supercomputación y, además, su travesía en el mundo a la ciencia de la computación y de la astrofísica.

Su interés en la astronomía


Fiestas Iquira se define hacia sí mismo como una persona curiosa por el universo y ese interés se mantuvo desde su niñez hasta ahora. Cuando era niño tenía curiosidad por las galaxias, por las estrellas y el misterio que hay detrás del universo; y esa misma curiosidad no desapareció sino que se desarrolló desde su niñez hasta la actualidad. Con mucha emoción comenta sobre la serie televisiva Cosmos que veía de niño y cómo le gustaba leer el libro basado en esa serie. Esa experiencia estimuló su interés al punto de ir a los planetarios, a formar clubes de astronomía y a resolver problemas de cálculos teóricos sobre las posiciones de astros.

Sin embargo, en el Perú no encontró la carrera que él quería estudiar, por lo que optó por estudiar una carrera que le diera los ingresos suficientes para poder seguir los estudios que realmente quería, la carrera de sus sueños. Aquí estudió ingeniería industrial y años más tarde iniciaría el pregrado desde cero en Alemania, con la premisa “la idea de querer algo y lograrlo, primero demora, luego cuesta pero si uno es persistente, lo logra, sea lo que sea; ahí no hay error, ahí lo que escoges y lo logras”. En Alemania llegó a un centro de astronomía teórica en la Universidad de Heidelberg. Estudió astrofísica durante 6 años. No tomó el camino más fácil, de ninguna manera, porque todo lo tuvo que hacer solo, desde aprender el idioma alemán hasta pagarse sus estudios por cuenta propia. Pero no se arrepiente, porque todo lo que estudió allá, sobre todo los primeros semestres, fue más de todo lo que aprendió en la carrera universitaria que había cursado en Perú.

De la astrofísica a la ciencia de la computación


Hace 20 años que el profesor Fiestas se desenvuelve en el mundo de la física teórica y en la astrofísica. A partir de ahí comenzó su interés por modelos teóricos de evolución galáctica. A diferencia del siglo pasado, ahora los modelos teóricos son computacionales. Es de ese campo de donde proviene su interés por la supercomputación, ya que para modelar miles de millones de estrellas en miles de millones de años, no es suficiente en una computadora, ya que podía tomar varios meses.

Entonces se dio cuenta que los astrofísicos necesitaban mucho más poder computacional, en otras palabras, lo que puede hacer la supercomputación. Con ello se puede diseñar diversos modelos galácticos en espacios de tiempo realistas y con datos precisos. Cabe precisar que además de la computadora y de la supercomputación, se requieren algoritmos. De ello depende el trabajo que se pueda realizar con esta tecnología.

En el caso de la astrofísica los modelos son estocásticos, lo cual significa que la incertidumbre es intrínseco dentro de éstos. Por tanto la aplicación de los algoritmos basado en estos modelos se puede replicar en muchas áreas ajenas a la astrofísica como economía, transporte, y otros. Lo importante de ello es que se debe de pensar en códigos en paralelo ya no de modo secuencial. Esto se debe a que actualmente en el mercado un software secuencial no existe.

Retorno al Perú y la situación local


Cuando decide volver al Perú y desarrollar proyectos no encuentra las máquinas necesarias (supercomputadoras) para realizarlos. Empieza a buscar en empresas bancarias, mineras y de otros rubros pero no logra encontrar esta máquina. Por ello decide cambiar la búsqueda en otro lado, en centros de estudios. En varias universidades encontró clusters de computadoras, pero no un software potente que puede utilizarse en ello. De hecho, en el país existen clusters desde hace décadas pero ¿por qué no rinde sus frutos? Esta es la gran problemática aquí. En el Perú no se desarrolla software en paralelo.

Esto supuso un reto, construir una supercomputadora, y el reto no necesariamente tiene que ser caro ni sofisticado.

El paralelismo es importante, pues el mismo principio que se utiliza para construir un cluster de computadoras de pocos núcleos aquí se utiliza en China para construir una supercomputadora de miles de núcleos. Si sabes este principio, se puede explotar mejor el uso de la supercomputadora, de lo contrario se subutiliza los recursos. Un código secuencial puede funcionar en el mismo lapso de tiempo que el código en paralelo; cuando este último debería ejecutarse en menor tiempo que el primero.

Por esta razón, en UTEC ha construido, junto con un grupo de alumnos, bajo este principio, un cluster de computadoras de 13 nodos con 3 softwares distintos para resolver problemas. El primer software simula el proceso de una epidemia. Sin el principio de paralelismo sólo se puede llegar a mil individuos pero aplicando el proceso de paralelismo se obtiene hasta 100 mil individuos. El segundo software es un modelo económico que se basa en inversión de matrices.

El tercer software es un modelo propio de su investigación, que es el problema de “n” cuerpos aplicado al modelo galáctico que sigue un mismo principio: la interacción entre dos partículas.

Investigaciones


Durante los años que estuvo en el extranjero realizó diversas investigaciones en torno al modelo galáctico y simulaciones de interacción de “n” cuerpos. Los cuerpos en el espacio interaccionan a través de la gravedad, por tanto es un sistema complejo que se tiene que reducir a un sistema simple que mantenga las propiedades básicas de los cuerpos, eso se llama un modelo estocástico computacional. En el espacio los cuerpos que se atraen se desvían por la fuerza centrífuga, entonces, si se reduce la galaxia a cuerpos que se atraen gravitacionalmente es necesario un algoritmo que describa el movimiento de esos cuerpos y ese algoritmo de “n” cuerpos. Este problema que puede haber en dos cuerpos está extrapolado a millones de cuerpos; por lo tanto, la carga computacional, es decir la cantidad de información, es de millones de cuerpos y para ello necesario la supercomputadora.

Actualmente en Pekín, hay una línea de investigación que se ha orientado a agujeros negros. Está trabajando en el modelo de galaxias con agujeros negros centrales de tal manera que no emita ninguna radiación, lo cual va a facilitar la predicción de agujeros negros en cúmulos globulares (grupo de estrellas que orbitan alrededor de una galaxia) poco conocidos. Todo ello con el uso de la supercomputación. Por otro lado en Berkeley, están trabajando en crear un mapa universal de cuerpos masivos (agujeros negros, estrellas de neutrones, cuerpos compactos visibles) de ondas gravitacionales ya que cada cuerpo en el universo genera ondas gravitacionales y cuando interactúa con otros cuerpos la onda se multiplica.

Esto es un desafío que lo entusiasma, porque si ya es complicado generar una galaxia con una supercomputadora con un récord de 6 millones de estrellas, ello se puede extrapolar al comportamiento a las demás estrellas, por lo que será más complicado generar millones de galaxias. Es un proyecto ambicioso, acota el profesor Fiestas.

Otros modelos astrofísicos en supercomputación


En la astrofísica hay tres áreas principales que engloba el uso de las supercomputadoras. El primero es la simulación de la galaxia, por el número de estrellas. El segundo es el sistema planetario, ya que alrededor de una estrella puede haber planetas orbitando. Este sistema no está contemplado dentro de la simulación de una galaxia, por tanto es una derivación de este sistema. La complejidad de este segundo sistema se debe a que no solo hay planetas, sino asteroides, polvo cósmico, gas, si sólo contemplamos el sistema actual.

Entonces de lo que se trata es demostrar cómo se forma un sistema planetario a partir de la teoría consistente en que una estrella expida cuerpos para posteriormente evolucionar a un sistema planetario.

El llevar esta teoría a una simulación es complejo porque la cantidad de cuerpos incluso puede superar el número de galaxias. Este tema está en apogeo en China porque tienen una gran supercomputadora, que puede simular este modelo que incluye muchas fuerzas, no solo físicas sino químicas, lo cual aumenta la complejidad.

Algo importante a tener en cuenta es que estas simulaciones son casi experimentales, ya que están mostrados analíticamente en ecuaciones matemáticas, entonces lo que realmente modela la computadora son estas ecuaciones matemáticas basada en la física discreta.

La tercera aplicación es en modelos cosmológicos, en donde las galaxias en el universo son un punto análogo a la simulación de estrellas en las galaxias, pero en el modelo teórico físico dista mucho de las fuerzas aplicadas en ambos modelos, porque el comportamiento de los cúmulos galácticos distan del comportamiento de las estrellas en una galaxia. El reto apasionante consiste en simular la totalidad del cosmos.

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